Вопреки распространенному мнению, сельскохозяйственные культуры могут петь «Дождь, дождь уходит» вместо «Пусть идет дождь, пусть идет дождь». Хотя важность дождя для обеспечения растений водой и питательными веществами хорошо известна, он также способствует рассеиванию микроскопических частиц патогенов. Патогены, такие как бактерии, вирусы или грибы, вызывают опасные заболевания растений и часто приводят к уничтожению сельскохозяйственных полей. При наличии многих возможных методов распространения часто бывает трудно оценить ущерб от воздействия патогена, пока не стало слишком поздно.
На 70-м ежегодном собрании Отдела гидродинамики Американского физического общества, которое состоится в ноябре. С 19 по 21 января в Колорадском конференц-центре в Денвере, штат Колорадо, исследователи из Технологического института Вирджинии представят свою работу о механизмах распространения дождевых капель грибка ржавчины на растениях пшеницы.
«Наше исследование было сосредоточено на том, как дождевая капля рассеивала микроразмерные патогенные частицы на большие расстояния», - сказал Сунгван (Санни) Юнг, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики Технологического института Вирджинии. «Раньше люди некоторое время изучали эту тему и утверждали, что разбрызгивание вызывает распространение патогенов, но в этом исследовании мы обнаруживаем, что есть два других механизма распространения патогенов».
Обнаружено два механизма распространения патогенов. Первый представляет собой механизм вихревого кольца, в котором одно кольцо патогенных частиц распространяется и радиально рассеивается после удара капли о поверхность растения. В другом патогены рассеиваются за счет упругого механизма столкновения. Юнг описывает это в терминах бильярдных шаров: «У вас есть бильярдные шары, образующие форму треугольника, поэтому, если вы ударите по одному шару впереди, другие шары будут выбиты."
Идентификация этих механизмов не обошлась без проблем. Патогены микроскопические, около 10 микрометров, и чрезвычайно быстро движутся со скоростью 1 метр в секунду, поэтому вывести механизмы, основанные на схемах их выделения, было непростой задачей. Исследовательская группа использовала сильные лазерные лучи и высокоскоростные камеры для захвата и отслеживания патогенов.
«Мы направили сильный лазер на участок патогена, а затем выпустили каплю, чтобы наблюдать, как патогены отделяются от поверхности», - сказал Юнг..
В основе этой проблемы лежит ее оппозиционный характер: дождь - это естественный процесс, ежегодно снабжающий сельскохозяйственные культуры тысячами галлонов пресной воды, но в то же время рассеивающий патогены и наносящий ущерб сельскохозяйственным урожаям. Это исследование дает представление о возможных сельскохозяйственных решениях этой проблемы. «Мы пытаемся охарактеризовать, как далеко эти патогены перелетают с одного растения на другое, тогда мы можем предложить оптимальное расстояние или расположение культур в поле», - сказал Юнг.
Когда исследователи обратили особое внимание на желтую ржавчину (Puccinia triticina) на растениях пшеницы, патогенное повреждение стало очевидным.
«Поскольку пшеница обеспечивает примерно четверть мировых запасов продовольствия, распространение патогенов может вызвать большую проблему с точки зрения урожайности зерна каждый год», - сказал Юнг. «Сведение к минимуму патогенного ущерба за счет учета механизмов распространения и оптимального распределения культур может не только защитить урожай пшеницы от продолжающейся потери урожая, но и защитить всю сельскохозяйственную систему от дальнейшего распространения патогенов».